1、1Switching Power Supply IntroduceTENPAO 2目錄n第1章章 開關(guān)電源基本知識開關(guān)電源基本知識n第第2章章 開關(guān)電源基本特性開關(guān)電源基本特性n第第3章章 開關(guān)電源安規(guī)特性開關(guān)電源安規(guī)特性n第第4章章 能效要求能效要求n第第5章章 開發(fā)階段開發(fā)階段3第第1章章 充電器基本知識充電器基本知識1.1開關(guān)電源概述 廣義地說，凡是用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種電源形態(tài)的電路就叫開關(guān)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換時(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出的就成為開關(guān)電源。開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī)、彩色電視機(jī)、衛(wèi)星通訊設(shè)備、程控交換機(jī)、精密儀表等電子設(shè)備。高耐壓的大功率MOS管

2、的廣泛應(yīng)用使開關(guān)電源的工作頻率由最初的20kHz提高到100kHz，又使開關(guān)電源的體積更小，重量更輕，效率更高。41.2開關(guān)電源換電壓方式分類:開關(guān)電源可以分為四類:1.AC-DC稱之為整流.2.DC-AC稱之為逆變.3.AC-AC稱之為交-交變頻（或變壓）.4.DC-DC稱之為直流-直流變換。51.3開關(guān)電源與線性電源的比較開關(guān)電源與線性電源的比較1.體積： 線性電源主要是通過工頻變壓器實(shí)現(xiàn)降壓目的，處理的功率越大，工頻變壓器的體積就越大，線性電源的體積也就越大；開關(guān)電源因?yàn)槭峭ㄟ^高頻轉(zhuǎn)換電路來達(dá)到降壓的目的，當(dāng)處理的功率越大時(shí)，可以通過提高工作頻率的方式來保持體積不變，甚至變得更小。2.效

3、率： 線性電源主要是在工頻變壓器降壓后使用線性穩(wěn)壓器達(dá)到穩(wěn)壓目的，當(dāng)輸入電壓上升時(shí)，線性穩(wěn)壓器將有更多的損耗，比如在輸入10V時(shí)使用線性穩(wěn)壓器使輸出電壓穩(wěn)定在5V，此時(shí)線性穩(wěn)壓器上將有5V的壓降，整個(gè)線性電源的效率將低于50%（因?yàn)楣ゎl變壓器本身也有損耗）；而一個(gè)50W，5V輸出的開關(guān)電源的效率可以實(shí)現(xiàn)在80%以上。63.輸入電壓的范圍：因?yàn)楣ゎl變壓器只是通過其線圈匝比進(jìn)行降壓，當(dāng)輸入電壓的范圍越大時(shí)，線性穩(wěn)壓器的輸入端電壓變化越大，在最高輸入電壓的效率越低，損耗更大；而一般開關(guān)電源的電壓調(diào)整率可以做到0.5%甚至更高。4.EMC：由于開關(guān)電源是通過高頻轉(zhuǎn)換來處理功率，工作頻率在20kHz15

4、0kHz甚至更高，半導(dǎo)體開關(guān)器件在開關(guān)瞬間會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁噪聲；相對而言線性電源不存在開關(guān)工作，產(chǎn)生的高頻電磁噪聲幾乎沒有。5.成本:小功率段:線性電源因元件少而成本較便宜.中大功率:因銅價(jià)的不斷上漲,輸出功率越大,線性電源的成本就不斷上升.而開關(guān)電源隨著技術(shù)的發(fā)展,而成本越來越低.71-1 開關(guān)電源整體功方框圖開關(guān)電源整體功方框圖AC INPWM控制電路EMI濾波電路高壓整流濾波隔離變壓器整流濾波電路直流輸出初級開關(guān)轉(zhuǎn)換線路反饋控制電路保護(hù)電路1.4. 開關(guān)電源功能方框圖及介紹:8EMI濾波電路濾波電路： 主要由共模電感、差模電感、X電容和Y電容組成，其目的是為了保護(hù)開關(guān)電源能正常工作不受外

5、部電磁干擾的影響以及防止開關(guān)電源本身制造的電磁噪聲干擾其它電子設(shè)備。B.高壓整流濾波電路：高壓整流濾波電路： 主要由橋式整流器和輸入電容組成，其目的是將輸入 的交流電進(jìn)行初步的整流濾波得到一個(gè)初步的直流電。C.初級開關(guān)轉(zhuǎn)換線路和次級整流濾波線路：初級開關(guān)轉(zhuǎn)換線路和次級整流濾波線路： 初級開關(guān)轉(zhuǎn)換線路和次級整流濾波線路是開關(guān)電源的主要組成部分，主要由隔離變壓器，半導(dǎo)體開關(guān)和二次側(cè)的整流半導(dǎo)體、濾波電容組成，作用是將初步整流濾波所得的直流電轉(zhuǎn)化為輸出所需要的直流電并滿足部分輸出特性，比如輸出紋波電壓。9D.PWM控制電路：控制電路： 由PWM控制集成電路和其周邊的起輔助作用的電阻電容組成，是開關(guān)電

6、源的核心，其作用是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)來得到所希望的輸出電壓。E. 反饋控制回路：反饋控制回路： 由輸出電壓采樣線路、反饋光耦、提供獨(dú)立參考電壓的輔助線路和其它一些閉環(huán)控制所需的電容電阻組成，作用是將輸出的電壓轉(zhuǎn)化為某種特定的信號傳送給初級的PWM控制線路。F.輸出保護(hù)線路：輸出保護(hù)線路： 由輸出采樣線路、反饋光耦、提供獨(dú)立參考電壓的輔助線路和其它一些輔助的電容電阻組成，其作用是在某些異常情況下保護(hù)輸出端連接的電子設(shè)備和開關(guān)電源本身，比如輸出過電壓和輸出過載。101.5 開關(guān)電源電路圖24W電路圖電路圖12345678ABCD87654321DCBAScaleSheetSizeFCSM No.D

7、WG No.Rev0 of 0A31234BR1L1F1MOVLNCX1C1D1N2L2312IC3TL431IC2PC817R21R22R23C10C6N3D2GNDGNDC3Q1天寶電子有限公司研發(fā)部Title：Daw By：Date:Number:1 OF 1R18AV+D3L3C2R1R2R4R13R14R6R5R25NTCGND1FB2RI3GATE6VDD5CSin4IC1C4C5R11CY1R7C8C9Z1R17C12GNDN1R16R15C11R12C7R24R20C13LEDR19O ptionO ptionO ptionR18BB1B!11第第2章章 開關(guān)電源基本特性開關(guān)電

8、源基本特性所有所有 測試項(xiàng)目測試項(xiàng)目1.POWER FACTOR & EFFICIENCY TEST / 功率因素和效率測試功率因素和效率測試 2.ENERGY EFFICIENCY TEST / 能效測試能效測試(CEC STANDARD)3. AC I / P CURRENT TEST / 輸入電流測試輸入電流測試4.INRUSH CURRENT TEST / 浪涌電流測試?yán)擞侩娏鳒y試5. LINE REGULATION TEST / 電壓調(diào)整率測試電壓調(diào)整率測試6.LOAD REGULATION TEST / 負(fù)載調(diào)整率測試負(fù)載調(diào)整率測試7.BROWN OUT & REC

9、OVERY TEST / 輸入緩慢變動(dòng)測試輸入緩慢變動(dòng)測試128.RIPPLE & NOISE TEST / 紋波及噪聲測試紋波及噪聲測試9.RISE TIME TEST / 上升時(shí)間測試上升時(shí)間測試 10.TURN ON DELAY TIME TEST / 開機(jī)延遲時(shí)間測試開機(jī)延遲時(shí)間測試11.HOLD UP TIME TEST / 關(guān)機(jī)維持時(shí)間測試關(guān)機(jī)維持時(shí)間測試12.OUTPUT OVERSHOOT TEST / 輸出過沖幅度測試輸出過沖幅度測試 13.OUTPUT TRANSIENT RESPONSE TEST / 輸出暫態(tài)響應(yīng)測試輸出暫態(tài)響應(yīng)測試14.OVER CURRENT

10、 PROTECTION TEST / 過流保護(hù)測試過流保護(hù)測試 15.SHORT CIRCUIT PROTECTION TEST / 短路保護(hù)測試短路保護(hù)測試 16.OVER VOLTAGE PROTECTION TEST / 過壓保護(hù)測試過壓保護(hù)測試17.MAX. AND MIN. LOAD CHANGE TEST / 重輕載變化測試重輕載變化測試18.INPUT VOLTAGE CHANGE TEST / 輸入電壓變動(dòng)測試輸入電壓變動(dòng)測試1319.POWER ON/OFF CYCLE TEST / 電源開關(guān)循環(huán)測試電源開關(guān)循環(huán)測試20.COMPONENT THERMAL TEST / 元件

11、溫升測試元件溫升測試21.COMPONENT STRESS ANALYSIS / 元件應(yīng)力分析元件應(yīng)力分析22.HIGH TEMP OPERATION TEST / 高溫操作測試高溫操作測試23.HIGH TEMP.&HUMIDITY STORAGE TEST / 高溫高濕儲存測試高溫高濕儲存測試24.LOW TEMP. OPERATION TEST / 低溫操作測試低溫操作測試25. LOW TEMP. STORAGE TEST / 低溫儲存測試低溫儲存測試26. LOW TEMP. STARTING UP TEST / 低溫啟動(dòng)測試低溫啟動(dòng)測試27.TEMPERATURE CYCL

12、ING TEST / 溫度循環(huán)測試溫度循環(huán)測試28. THERMAL SHOCK TEST / 冷熱沖擊測試?yán)錈釠_擊測試29. HI - POT TEST / 絕緣耐壓測試絕緣耐壓測試1430.INSULATION RESISTANCE TEST / 絕緣阻抗測試絕緣阻抗測試31. LEAKAGE CURRENT TEST / 漏電流測試漏電流測試32.UNIT DROP TEST / 跌落測試跌落測試33.BALL PRESSURE TEST / 球壓力測試球壓力測試34. LIGHTNING SURGE TEST / 雷擊測試?yán)讚魷y試35. ESD TEST / 靜電放電測試靜電放電測試3

13、6. EMI TEST / 電磁干擾測試電磁干擾測試(CONDUCTION)37.COMPONENT OPEN&SHORT TEST / 元件的開路和短路測試元件的開路和短路測試38.UNIT VIBRATION TEST / 振動(dòng)測試振動(dòng)測試39.MTBF ESTIMATION / 平均故障間隔時(shí)間估算平均故障間隔時(shí)間估算40.ELECTROLYSIS CAPACITANCE LIFE CALCULATION/電容壽命電容壽命41. BURN IN TEST / 老化試驗(yàn)老化試驗(yàn)152.1 Inrush current: 常規(guī)特性Fig1-1 Inrush Current - 240

14、Vac(50Hz) CC=0.45AInrush CurrentInput Voltage162.2 Output ripple and noise:Fig2-1 Ripple & Noise - 90Vac(60Hz) CV=4.75V172.3 Output overshoot:Fig3-1 Overshoot - 90Vac(60Hz) CC=0.0A182.4 Turn on delay time:Fig4-1 Turn on delay time - 90Vac(60Hz) CC=0.45AOutput VoltageInput Voltage192.5 Hold up ti

15、me:Fig5-1 Hold up time - 115Vac(60Hz) Max. loadInput VoltageOutput Voltage202.6 Output transient response: Fig6-1 Transient response - 90Vac(60Hz) (20-80%)*0.45A212.7 Output short circuit:Fig7-1 Short Circuit - 90Vac(60Hz) CC=0.45A222.8 Output OVP:Fig8-1 OVP - 90Vac(60Hz) Unload232.9 Output OCP:Fig9

16、-1 OCP - 90Vac(60Hz) CC=0.45AOutput CurrentOutput Voltage242.10 Max. and min. load change:Fig10-1 Max.& Min. load change - 90Vac(60Hz) 252.11 Rise time:Fig11-1 Rise time - 90Vac(60Hz) CV=4.75V262.12 Input volt. Change:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A272.12 Input volt. Cha

17、nge:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A282.12 Input volt. Change:Fig12-1 Input volt. change - 90-180Vac(50Hz) & 0.45A29第第3章章 開關(guān)電源基本安規(guī)要求開關(guān)電源基本安規(guī)要求 3.1安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)安規(guī)標(biāo)準(zhǔn) 開關(guān)電源設(shè)計(jì)通常按滿足開關(guān)電源設(shè)計(jì)通常按滿足 60950安規(guī)安規(guī)來進(jìn)行設(shè)計(jì)來進(jìn)行設(shè)計(jì). 一次側(cè)對二次側(cè)：DC4242V(或AC3000V), 3.5mA標(biāo)準(zhǔn)測試1分鐘,量產(chǎn)測試3秒鐘. 3.2絕緣介電強(qiáng)度（耐壓）絕緣介電強(qiáng)度（耐壓）輸

18、入對輸出 10 兆歐姆(500VDC)最小. 3.3絕緣阻抗絕緣阻抗30 3.5 ESD 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 開關(guān)電源常規(guī)為4KV接觸放電,8KV空氣放電;(特殊為8KV接觸,12KV空氣) 3.6 雷擊雷擊 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 開關(guān)電源常規(guī)為L對N 1KV 3.4EMI 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) 開關(guān)電源要符合輻射及傳導(dǎo)要求,滿足FCC CLASS B, EN55022 CLASS B .通常會(huì)控制在6dB以上裕量.3.7 EN60065正常條件下的溫度規(guī)格:31EN60065正常條件下的溫度規(guī)格正常條件下的溫度規(guī)格1.INLET temperature70(安規(guī)證書規(guī)定值)2.MOV按材料規(guī)格書規(guī)定溫度值3.X CAP te

19、mperature標(biāo)稱溫度值(參考85 / 100)4.線圈溫度(熱電偶法) 90 （class A）105（class E）110（class B）橋堆溫度按材料規(guī)格書規(guī)定溫度值二極體溫度按材料規(guī)格書規(guī)定溫度值濾波電容溫度按材料規(guī)格書規(guī)定溫度值MOSFET及功率三極管溫度按材料規(guī)格書規(guī)定溫度值Y CAP temperature 標(biāo)稱溫度值(參考85 / 125)光耦 temperature 標(biāo)稱溫度值(參考85 / 100)PCB temperature 105 / 130Case surface temperature95D(注：如果外殼材料溫度低于此溫度，則以UL黃卡為基準(zhǔn)）32第第4章

20、章 能效要求能效要求 4.1各國與地區(qū)能效要求說明見下表各國與地區(qū)能效要求說明見下表能效認(rèn)證要求說明（適用的外部電源產(chǎn)品）能效認(rèn)證要求說明（適用的外部電源產(chǎn)品）國家或地區(qū)國家或地區(qū)美國加州美國加州美國其它地區(qū)美國其它地區(qū)歐洲地區(qū)歐洲地區(qū)(EUP)(EUP)澳洲地區(qū)澳洲地區(qū)(MEPS)(MEPS)備注備注是否強(qiáng)制要求是否否是其它國家及地區(qū)目前并無明確的相關(guān)能效規(guī)定。能效級別最低要求III、IVIII沒有明確定義等級,但其要求比美國IV級能效更嚴(yán),空載功耗具體要求如下:0.30W(0至小于60W電源)0.50W(60至150W電源)III (能效等級限制值等同美國能效等級)能效實(shí)施時(shí)間III(20

21、06.7.1)、IV(2008.7.1)2008.1.12007.1.1 2008.4.1是否需申請是是是是申請費(fèi)用無無無USD:1,500.00申請時(shí)間10天15天15天暫未定其它說明我司天祥實(shí)驗(yàn)室已取得CEC認(rèn)可，只要我司實(shí)驗(yàn)室出具測試合格報(bào)告即可掛能效標(biāo)志,無費(fèi)用產(chǎn)生。我司已獲得能源之星(Energy Star) 的許可，只要提交測試報(bào)告申請報(bào)備即可，無費(fèi)用產(chǎn)生。認(rèn)可能源之星網(wǎng)站上的數(shù)據(jù),我司已獲得能源之星(Energy Star) 的許可，只要提交測試報(bào)告申請報(bào)備即可，無費(fèi)用產(chǎn)生。暫不能申請。33現(xiàn)在采用的判定標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在采用的判定標(biāo)準(zhǔn)（CEC能效標(biāo)準(zhǔn)等級）新的判定標(biāo)準(zhǔn)（草案）新的判定標(biāo)準(zhǔn)

22、（草案）標(biāo)示額定輸出功率 Pno (W)最小平均效率標(biāo)示額定輸出功率 Pno (W)最小平均效率0Pno10.5* Pno0Pno11.Vo6V: 0.497* Pno+0.0672.Vo6V: 0.48* Pno+0.141Pno510.09*Ln (Pno)+0.51Pno491.Vo6V: 0.075*Ln (Pno)+0.5612.Vo6V: 0.0626*Ln (Pno)+0.622Pno510.85Pno490.87標(biāo)示額定輸出標(biāo)示額定輸出功率功率 Pno (W)最大空載功率最大空載功率(W)標(biāo)示額定輸出標(biāo)示額定輸出功率功率 Pno (W)最大空載功率最大空載功率(W)0Pno100.50Pno500.5（AC-AC）0.3（AC-DC）10Pno2500.550Pno2500.5（AC-AC）0.5（AC-DC）標(biāo)示額定輸出標(biāo)示額定輸出功率功率 Pno (W)功率因數(shù)功率因數(shù)75Pno0.9（100%負(fù)載時(shí)測試）負(fù)載時(shí)測試）34 4.1 GB 20943-2007標(biāo)準(zhǔn)要求標(biāo)準(zhǔn)要求外部電源中國能效標(biāo)準(zhǔn)外部電源中國能效標(biāo)準(zhǔn)（2007.12.01生效）生效）外部電源中國能效標(biāo)準(zhǔn)外部電源中國能效標(biāo)準(zhǔn)（2009.12.01生效）生效）標(biāo)示額定輸出標(biāo)示額定輸出功率功率 Pno (W)最小平均效率最小平均效率標(biāo)示額定輸出標(biāo)示額定輸出功率功率 Pno